φ – Число Бога. Золотое сечение – формула мироздания - Марио Ливио

В статье, опубликованной в «Journal de Physique» в 1984 году, группа ученых во главе с Н. Ривье из Университета Прованса в Марселе придумала простой математический алгоритм, который показывает, что если строить определенную геометрическую фигуру на основе угла, равный золотому углу, получатся структуры, очень похожие на сердцевину подсолнуха (рис. 36). Ривье с сотрудниками предположили, что здесь таится ответ на вопрос, заданный в классическом труде биолога сэра Д’Арси Уэнтворта Томпсона. В своем фундаментальном труде «О росте и форме» (первое издание – 1917, второе, пересмотренное, – 1942) Томсон восклицает: «…и не самая очевидная черта этого явления [филлотаксиса] – то, насколько ограниченно и даже мало число возможных комбинаций, которые мы наблюдаем и распознаем!» Группа Ривье обнаружила, что необходимые условия однородности (то есть структура должна быть везде одинакова) и самоподобия (если изучить структуру на разных масштабах, от мелкого до крупного, она будет выглядеть везде совершенно одинаково) очень сильно ограничивают количество возможных структур. Вероятно, этих двух свойств достаточно, чтобы понять, почему числа Фибоначчи и золотое сечение столь вездесущи в филлотаксисе, однако почему так получается физически, они не объясняют.

Возможно, подлинные движущие силы, стоящие за филлотаксисом, следует искать не в ботанике, а в физике – в экспериментах Л. С. Левитова (1991) и Стефана Дюади и Ива Куде (1992 и 1996). Эксперимент Дюади и Куде особенно интересен. Исследователи поместили плоскую чашку, наполненную силиконовым маслом, в магнитное поле так, чтобы поле у краев чашки было сильнее, чем в середине. Периодически в центр чашки капали магнитной жидкостью, капли которой вели себя как крошечные магнитиные палочки. Магнитики отталкивались друг от друга, а градиент магнитного поля толкал их к краям. Дюади и Куде обнаружили осциллирующие узоры, которые в целом сходились к спирали, на которой следующие друг за другом капли разделялись золотым углом. Физические системы обычно стремятся к состоянию, в котором энергия минимальна. По предположению ученых, филлотаксис просто отражает состояние минимальной энергии системы взаимно отталкивающихся почек. Другие модели, в которых листья появлялись в местах наибольшей концентрации какого-то питательного вещества, также обычно показывают разделение под золотыми углами.

Надеюсь, когда вам в следующий раз придется лакомиться ананасом, посылать любимой алую розу или любоваться на «Подсолнухи» Ван Гога, вы вспомните, что закон роста этих растений опирается на чудесное число, которое мы называем золотым сечением. Однако не забывайте, что рост растений зависит и от других факторов, а не только от оптимального расстояния между листьями. Следовательно, законы филлотаксиса, о которых я рассказал, нельзя считать такими же универсальными, как законы физики. Напротив, по словам знаменитого канадского математика Коксетера, это не более чем «на удивление сильная тенденция».

Рис. 36

Однако ботаника – не единственная область в природе, где можно наткнуться на золотое сечение и числа Фибоначчи. Они проявляются в явлениях самого различного масштаба, от микроскопического до галактического. И их появление зачастую принимает обличье величественной спирали.

Измененная, вновь воскресаю прежней

В истории математика не было семейства, породившего столько знаменитых математиков, сколько семья Бернулли: целых тринадцать!

Испугавшись «Испанской ярости» – кровопролитного восстания, поднятого в Нидерландах испанскими солдатами, – семейство бежало из Нидерландов, находившихся под властью испанских католиков, в Швейцарию, в город Базель. Три члена семьи, братья Якоб (1654–1705) и Иоганн (1667–1748) и второй сын Иоганна Даниил (1700–1782), были в интеллектуальном отношении на голову выше остальных родственников. Как ни странно, ожесточенные семейные распри прославили Бернулли чуть ли не в той же степени, что и многочисленные достижения в математике. Однажды Якоб с Иоганном повздорили особенно сильно. Началась ссора из-за разногласий по поводу решения знаменитой задачи по механике. Эта задача известна под названием «брахистохрона» (от греческих слов «брахистос», «кратчайший», и «хронос», «время») и состоит в том, чтобы найти кривую, по которой частица попадет из точки А в точку В под воздействием одной лишь силы гравитации за кратчайшее время. Братья независимо пришли к одному и тому же решению, однако в выкладках Якоба была ошибка, и он впоследствии пытался выдать выкладки Иоганна за свои. Печальным последствием этих событий стало то, что Иоганн стал профессором в Гронингене и до самой смерти брата ни разу не наведывался в Базель.

Связь Якоба Бернулли с золотым сечением прослеживается благодаря другой знаменитой кривой. Якоб написал трактат под названием «Spira Mirabilis» («Чудесная спираль») и посвятил ее особой разновидности спирали. Красота так называемой логарифмической спирали (рис. 37, названием она обязана тому, как радиус кривой возрастает по мере движения по часовой стрелке) настолько заворожила Якоба, что он завещал начертать эту фигуру и девиз, который он ей приписал – «Eadem mutate resurgo», «Измененная, вновь воскресаю прежней» – на своем надгробии.

Рис. 37

Девиз отражает фундаментальное уникальное качество логарифмической кривой: с увеличением размера она не меняет формы. Эта черта называется самоподобием. Очарованный этим качеством, Якоб писал, что логарифмическую спираль «можно сделать символом как стойкости и постоянства в трудных обстоятельствах, так и человеческого организма, который после всех перемен, даже после смерти, восстанавливает точное свое подобие и полное совершенство».

Если немного подумать, станет ясно, что именно это свойство требуется для многих явлений роста и развития в природе. Например, по мере того как моллюск наутилус помпилиус (рис. 4) растет в своей раковине, он создает камеры все просторнее и просторнее, а те, которые стали ему малы, запечатывает. Каждая прибавка в длине раковины влечет за собой и пропорциональное увеличение радиуса, поэтому общая форма раковины остается неизменной. То есть «домик» у наутилуса всю жизнь одинаковый, и моллюску не приходится потом, например, сдвигать центр тяжести раковины. То же свойство присуще и бараньим рогам – они тоже имеют форму логарифмической спирали, хотя и не лежат в одной плоскости, – и изгибу слоновьих бивней. Логарифмическая спираль, набирая размер, становится шире, расстояние между «витками» увеличивается по мере отдаления от центра – так называемого полюса. Причем поворот на равные углы увеличивает расстояние от полюса на равные промежутки. Если бы мы, вооружившись микроскопом, увеличили бы витки, невидимые невооруженным глазом, до таких размеров, как на рис. 37, они в точности совпали бы с большой спиралью. Это свойство и отличает логарифмическую спираль от другой известной кривой, так называемой архимедовой спирали (в честь великого греческого математика Архимеда (ок. 287–212 гг. до н. э.), который подробно описал ее в своем трактате «О спиралях»). Архимедову спираль мы наблюдаем на торце рулонов туалетной бумаги или в рисунке каната, свернутого на полу. У спирали этого типа расстояние между витками всегда постоянно. К сожалению, каменщик, изготавливавший надгробие Якоба Бернулли, изобразил на нем по ошибке скорее архимедову, чем логарифмическую спираль, что, конечно, наверняка очень огорчило бы ученого.

Природа обожает логарифмические спирали. Похоже, это ее любимый узор – она украшает им все подряд, от подсолнухов и ракушек до водоворотов, смерчей и гигантских спиральных галактик. Постоянная форма логарифмической спирали любого размера прекрасно проявляется в природе и в очертаниях раковин микроскопических одноклеточных организмов под названием фораминиферы. Хотя спиральные ракушки в данном случае – структуры сложные, это не просто трубочка, рентгеновские изображения внутренней структуры ископаемых раковин этих существ показывают, что за много миллионов лет их рисунок – логарифмическая спираль – остался прежним. В своем классическом труде «Изгибы жизни» (Theodore Andrea Cook. The Curves of Life, 1914) английский писатель и издатель Теодор Андреа Кук приводит массу примеров появления спиралей, не только логарифмических, как в природе, так и в искусстве. Он пишет о спиралях в самых разных предметах – это и вьющиеся растения, и человеческий организм, и винтовые лестницы, и татуировки маори. Когда Кук объясняет, что подвигло его на создание книги, то пишет: «…Существованию этих глав о спиральных структурах нет никаких оправданий, кроме увлекательности и красоты самих исследований». Скажем, в этюде к мифологическому сюжету «Леда и лебедь» Леонардо да Винчи косы Леды почти точно повторяют форму логарифмической спирали (рис. 38). Леонардо много раз повторял этот мотив в этюдах спиралей в облаках и в воде – этому посвящен потрясающий цикл рисунков «Потоп». В этом произведении Леонардо сочетал научные исследования над катастрофическими наводнениями с аллегорическими аспектами разрушительных сил, грянувших с небес. Вот как Леонардо описывает бурный поток: «Внезапно нахлынувшие воды обрушиваются в омут, который их вмещает, сметая разнообразные препятствия своими бурными завихрениями… Натиск водоворота, возникающего в месте низвержения воды, швыряет воду прямо на другие водовороты, закрученные в противоположном направлении».